第三章 汽轮机的变工况

第三章汽轮机的变工况华北电力大学，能源动力与机械工程学院巨星scottju@变工况汽轮机的设计值：效率最高设计工况：经济工况设计功率：经济功率运行中参数不可能始终保持设计值→变工况→汽机热力过程变化（流量、压力、温度、比焓降、效率等）、零部件受力变化、热应力/热膨胀/热变形情况变化典型变工况：启动、停机、故障一、级组的变工况一、定压运行与滑压运行定压运行：汽轮机在不同工况运行时，依靠改变调节汽门的开度来改变级组的功率。而汽轮机前的新奇压力和新汽温度维持不变。（汽机主调锅炉跟随，汽轮机通过改变调门位置改变电负荷，锅炉维持主蒸汽压力——炉跟机）滑压运行：汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门全开，调节汽门也是全开的，这时机组功率的变工是靠汽轮机前主蒸汽压力的改变而实现的。也就是说，主蒸汽压力随机组工况变动而变动，但此时主蒸汽温度仍保持不变。即：机组在额定功率时按额定压力运行；低负荷时则以某一低于额定数值的压力运行，而在工况变动范围内，汽温并不变化，仍保持额定值。（锅炉主调汽机跟随，锅炉通过改变主蒸汽压力改变电负荷，汽轮机维持调门位置——机跟炉）一、与定压运行相比,滑压运行的效益主要表现在:1）由于压力随负荷降低，蒸汽的比热减小，过热热减小。所以过热蒸汽温度在较宽的负荷范围内都维持了稳定（例如：在40-100%MCR内可维持额定温度）；2）由于汽轮机节流损失小，高压缸排汽温度稳定（亚临界机组，负荷从100%降低到50%MCR，高缸排汽温度只降低了60度左右，所以再热气温也容易维持稳定）；3）由于汽轮机节流损失小，级前后的压力比与额定负荷相比，几乎不变；而机内蒸汽的容积流量也与额定负荷基本相同（由于压力降低）；所以，汽机的级效率保持较高。与定压运行相比，变压运行时，汽机的内效率提高了

；4）由于负荷变动过程中，汽机内金属的温度变化小（一般不大于78度），所以，汽机金属的热应力小，负荷变动的速度不受汽缸应力的限制；5）机组低负荷运行时，给水的压力和流量同时降低，所以与定压相比，能耗明显降低。二、缺点：1）负荷变动时，汽包内压力和温度随着变化，汽包的应力问题比定压运行严重，成为限制机组负荷变动速度的主要因素2）机组负荷变动，是靠锅炉调整燃烧和给水进行的，而锅炉是热惯性大的设备，所以，负荷响应的速度慢3）低负荷时降低了主蒸汽压力，从而降低了机组的循环热效率因此,在某一负荷下是否应该采用滑压运行,关键是综合上述各项来考察机组的运行经济性二、级组压力与流量的关系流量相等而依次串联的排列的若干级称为级组。级组的亚临界工况：各级气流速度均小于临界速度级组的临界工况：级组内至少有一列叶栅的出口流速达到或超过临界流速1.级组的亚临界工况G01、P01、T01、Pg1变工况下级组流量、初压、初温、背压G0、P0、T0、Pg1设计工况下级组流量、初压、初温、背压若不考虑温度变化（滑压运行）：弗留格尔公式：通流部分结构不变时1.级组的临界工况某级处于临界状态，或者级后压力很低：忽略温度的影响可利用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量的信号或机组功率的信号1、凝汽式汽轮机非调节级各级组对于凝汽式级组，可将包括末级在内的各级作为一个级组，该级组后压力为汽轮机排汽压力，当级数较多时，级组前压力

，这样：结论：1）凝汽式汽轮机各级（除最后一、二级外），无论是否发生临界，其流量均与级前压力成正比。

2）对于最后几级，由于相对较低，就不能忽略，应按弗留格尔公式计算。

3）对于回热抽汽，可近似应用弗留格尔公式，误差不大。级组p0三、各级组的曲线凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线负荷较高时，末级为临界，或即使为亚临界，最末段抽汽压力远大于排汽压力，故末段级前压力与流量成正比；负荷很低时，末级为亚临界，抽汽压力也较低，排汽压力不能忽略，流量与抽汽压力为双曲线关系。无厂用汽凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线少量厂用汽较多厂用汽2、背压式汽轮机非调节级各级组背压式汽轮机的特点，背压（汽轮机排汽压力）高于大气压，排汽比容小，末级直径较小，末级焓降较小，流速较低。一般情况下，背压级组末级也处于亚临界工况。所以，只能应用弗留格尔公式计算（呈双曲线变化）。调整抽汽式汽轮机，其调节抽汽口压力基本保持不变，且大于大气压，所以抽汽口各级都处于亚临界工况，也用弗留格尔公式计算。热用户或1.弗留格尔公式的应用条件四、压力与流量关系式的应用（1）在不同工况下，级组中各级通流面积不变如通流部分结垢或磨损等，应进行修正

结垢（a<1），则同一流量G1下，必然升高；磨损（a>1），则同一流量G1下，必然降低。（2）在同一工况中，通过级组的流量相等。调节抽汽口（大量抽汽供热、取暖、其他厂用汽等）应作为分级组的界限。（3）流过级组的蒸汽流应是均质流。不能把调节级取在级组内（4）严格讲，弗留格尔公式适用于无穷多级数的级组，但一般多于

5～6级，就能得到满意的结果。级组内级数越多，精度越高。2.用于分析运行问题

通常把调节级汽室、各段调整抽汽和非调整抽汽汽室作为压力的监视点，通称为监视段压力。

凝汽式汽轮机的监视段压力与流量成正比，同一流量下，若监视段压力较初投产时的数值高，表明监视点后面级的通流部分可能结垢：当监视段压力增大5％～15％以上时，轴向推力将增大到威胁机组安全的程度。汽轮机的负荷特性举例1、某台一次再热超高压凝汽式汽轮机的功率突然下降40%，此时机组无明显振动，机组参数变化如下（负号表示降低）：功率降低后，一些参数又基本稳定不变，各监视段压力近似成比例降低。负荷给水流量调节级后压力中间再热后压力高压缸效率中低压缸效率-40%-36%-42%-44%-1.8%-0.4%分析原因：调节级后压力和中间再热后压力降低，表明蒸汽流量变小，这也由给水流量降低证实。符合公式！说明调节级后均工作正常！流量突降是调节级或调节级之前流通部分的故障导致未引起振动，说明非转动部分的机械问题！调节级喷嘴、动叶损坏？流量增大；调节级叶片断落？非调节级第一级喷嘴堵塞使调节级后压力升高；非调节级问题！调节汽门问题？调节汽门阀杆断裂会导致汽门一直处于关闭或近关闭位置。移动油动机，提起阀杆发现第一调门开大范围内流量不变！阀门动作失灵→第一调节汽门阀杆断裂负荷给水流量调节级后压力中间再热后压力高压缸效率中低压缸效率-40%-36%-42%-44%-1.8%-0.4%汽轮机的负荷特性举例2、一超高压汽轮机在运行21个月后发现功率不断下降，已持续一两个月。分析每天数据，发现功率是以不变的速度下降的，而不是突降的。与21个月前的运行数据相比，变化情况如下：流量功率调节级后压力高压缸效率-17.2%-16.5%+21.2%-12.2%分析原因：调节级后压力增加，但流量不增加。不正常！根据计算公式得出：a<1通流面积减小：非调节级通流部分堵塞！稳定增加：不是机械损坏！通流部分结垢→高压效率大为降低→高压缸流通部分结垢！汽轮机的负荷特性举例3、某机三年运行数据表明，在调节汽门的同一开度（各个调节汽门开度均是）下，功率是渐渐增加的，三年前后的同一调节气门开度下的运行数据之差如下：同时，在发现上述问题后，曾进行实验，证明在各个调节汽门的不同开度下，功率都变大。功率调节级后压力中间再热后压力高压缸效率+11.0%+11.0%+10.2%-1.8%分析原因：功率增加，流量增加。调节级后各处压力增大基本正比于流量增加。符合公式！说明调节级后均工作正常！根据公式：应是调节级，或调节级前a>1各个调节汽门开度下降功率变大：应非调节汽门问题调节级通流面积增大：喷嘴腐蚀？叶片损坏？喷嘴弧段漏气？前两种高压缸效率大为降低。高压缸效率略有下降：喷嘴腐蚀！五、级的比焓降和反动度的变化规律

级的比焓降变化规律级的比焓降由由上式可知，如忽略温度的影响，级的比焓降取决于级压比的大小。汽轮机工况变化时，有了级压比的变化规律讨论，也就得到了焓降的变化规律。凝汽式汽轮机中间级(除调节级与末级以外)得结论：凝汽式汽轮机中间级,流量变化时级的理想比焓降基本不变。在调节级、中间级、末级的情况不同，分别讨论。末级最大流量工况。

流量大于临界流量最小值时，虽p0正比于G，但背压pc不于G成正比，一般pc不变，有流量增大，△ht增大；反之，流量减小，△ht减小。

流量小于临界流量最小值时，p0与G为双曲线，G下降时，△ht减得稍慢中间级、末级的最危险工况：c)调节级（第三节讨论）

背压式汽轮机

如果背压式汽轮机的最后一级在工况变动前后均达到临界状态，则各压力级级前压力与流量成正比。在此情况下，这些级(除末级外)的比焓降的变化规律，与凝汽式汽轮机的中间级一样。但一般情况下，最后一级也不会达到临界状态。此时，忽略温度变化，由弗留格尔公式可得变工况下理想比焓降与流量的关系曲线由图可知：流量变化越大，级的理想比焓降变化也越大。流量变化时，前面级的焓降变化较小；后面级的焓降变化较大。背压式汽轮机非调节级焓降变化规律级的反动度的变化规律a）工况变化时，若级焓降减小，反动度增大；若级焓降增大，反动度减小。b）设计工况的反动度较小的级，焓降变化时，反动度变化较大；设计工况的反动度较大的级，焓降变化时，反动度变化较小。c）反动级变工况时，反动度基本不变。动、静叶出口面积比变化，引起反动度变化

当制造、安装误差、运行后磨损、结垢等原因，使面积比偏离设计值，也将引起反动度变化。

变化规律：叶栅出口面积比增大，反动度增大。叶栅出口面积比减小，反动度减小。面积比f＝An/Ab六、撞击损失当增大时，C11>C1，u不变，>0，为正冲角。汽流冲击在动叶内弧段。定义：冲角(叶型进汽角－汽流进汽角)设计工况时，汽流进汽角与动叶进汽角一致，变工况时，级的焓降变化，汽流偏离设计方向，产生冲角。当减小时，C11<C1，

u不变，

<0，为负冲角。汽流冲击在动叶背弧段。试验表明：变工况时产生的撞击损失与：①冲角绝对值大小有关。↑，↑②与冲角正、负有关。正冲角的撞击损失大于负冲角的撞击损失。③与反动度有关。反动式叶型受汽流进口角度影响较小；冲动式叶型受汽流进口角度影响较大。近似计算公式为：

目前使用的叶型均有反动度，进汽边为圆弧形。这样对汽流的冲角的敏感性减弱，扩大最佳进汽角范围，在实用的变工况范围内，冲角不大，可以不考虑撞击损失。七、各级p0、Δht

、Ωm、xa、ηi、Pi的变化规律

1、凝汽式汽轮机非调节级

末级为临界工况（中间级、末级）中间级：流量增加(负荷增加)级前压力忽略温度变化影响各级焓降各级速比级反动度各级效率各级功率与流量成正比增加不变不变不变不变正比增大流量减小(负荷减小)忽略温度变化影响请考虑变工况下的参数变化规律末级：流量增加(负荷增加)级前压力忽略温度变化影响、级后压力不变级焓降级速比级反动度级效率级功率与流量成正比增加增加减小不变减小增大末级：流量减小(负荷减小)级前压力忽略温度变化影响级后压力不变级焓降级速比级反动度级效率级功率与流量成正比减小减小增大不变＞＜？减小

末级为亚临界工况

只有最后两、三级的变化规律与背压式汽轮机非调节级相同，其余工况均与临界工况相同。2.背压式汽轮机非调节级流量增加(负荷增加)级前压力忽略温度变化影响各级焓降各级速比级反动度各级效率各级功率增加增加减小减小减小增大3、调节级

只讨论全开调节汽门后的喷嘴与动叶组成的调节级当G由设计值减小时，背压p2

下降，p0

不变，Δht

增大。动叶为亚临界时，Ωm和xa

减小，ηi下降，Pi

正比于GΔhtηi

。动叶为临界时，仅Ωm与Δht同方向增减，其他参数变化同上。二、汽轮机的功率调节方式及调节级变工况要调节Pel，可以调节D0或是调节或是两者同时调节。Pel=纯滑压运行节流滑压运行复合滑压运行节流配汽定压运行方式滑压运行方式喷嘴配汽旁通配汽功率调节进入汽轮机的所有蒸汽都通过一个调节汽门（或几个同时开启的调节汽门），然后进入汽轮机，这种调节方式称为节流配汽。额定功率运行时，调节汽门全开。部分功率运行时，调节汽门部分开启，使得进入汽轮机的新蒸汽流量D0减少，汽轮机理想焓降减小。：调节汽门部分开启时，扣除进汽机构节流损失后理想焓降。：调节汽门全开时机组前压力；

：调节汽门部分开启时，机组前压力；：调节汽门全开时，扣除进汽机构节流损失后理想焓降；节流配汽当调节汽门部分开启时，汽轮机全机相对内效率为：式中：指未包括进汽机构的汽轮机通流部分相对内效率，指调节汽门的节流效率。图中是初压p0＝12.75MPa，初温t0＝565℃时，节流效率与背压pg，流量比G1/G的关系曲线。

节流效率是蒸汽初始参数和流量的函数。在调节汽门全开时，其节流损失小；在调节汽门部分开启时，其节流损失较大。没有调节级，结构简单，制造成本低。在滑压运行时，各级温度和焓降变化较小，对负荷适应性较好。节流配汽特点一般用于小功率机组（可靠性，对负荷适应性强，如给水泵汽轮机）。承担基本负荷的大型机组（调节汽门全开，节流损失）。如采用滑压运行，则可用于承担基本负荷，也可调峰。节流配汽应用场合第一级是调节级，调节级分几个喷嘴组，蒸汽在经过主气门后，再经过依次开启的几个调节气门，通向调节级。喷嘴配汽喷嘴配汽特点

(1)汽轮机运行时，主汽门全开。调节汽门（调节阀）则根据负荷大小依次开启或关闭。改变调节级通流面积，进入汽轮机的蒸汽流量G。

(2)各调节汽门之前压力都相同的。主汽门始终保持最大开度，节流很小。

(3)各调节汽门后，即各阀控制的喷嘴组之前的压力是变动的。取决于各阀开度大小。当全开时。当第一阀开启，第二阀部分开启时，。其余类推。只有部分开启的阀受到阀体的节流作用。因此定压运行时喷嘴配气和节流配气相比，节流损失较小，效率较高。

(4)喷嘴之后蒸汽压力对各喷嘴组都相同（喷嘴与动叶之前环形空间是完全相通的）。

(5)调节级后是相同的，若。

(6)各喷嘴组内包含喷嘴数不一定相等。各调节汽门开足时能通过的最大流量不一定相等。①调节级反动度，且不随工况变化，；②各调节汽门之间无重叠度（前一个阀完全开启后，才开后一个阀）；③不考虑调节级后温度变化的影响，调节级后压力正比于全机流量；④全开调节汽门后，喷嘴组前压力不变；

假设有四个调节汽门，开启顺序：

第一调门开启（其余调门全关闭）

第二调门开启（第一调门已全开，其余全关）

第三调门开启（第一、二调门已全开，第四调门关；设计工况）

第四调门开启（其余调门全开，最大流量）

便于讨论，假定：调节级压力与流量的关系I调门开启II调门开启III调门开启组前压力汽室压力凝汽式汽轮机调节级的流量压力关系曲线各喷嘴组流量与总流量的关系图

第一调门开启（其余调门全关闭）I号阀体↑，↑第一组喷嘴组临界压力↑，喷嘴组后压力↑，此时喷嘴组为临界状态。通过第一调门流量为临界流量。当第一调门全开后，且不变。流量也不变。直到H点，喷嘴组为亚临界。通过第一调门流量按椭圆曲线下降。II号阀体刚开时，，，此时喷嘴组为亚临界。与流量按弗留格尔公式变化。当II号阀体↑，

↑，↑当时，第二组喷嘴处于临界状态。与呈直线关系。当第二调门全开时，，且不变。流量也不变，直到H点，为亚临界，按椭圆曲线下降。

第二调门开启（第一调门已全开，其余全关）

当第三调门开启时，调节级背压已经相当高了，，始终为亚临界。三阀全开时，，要求为设计工况时的流量。如果要求超负荷运行，第四调阀开始工作，此时背压更高。四组喷嘴都处于非临界状态工作。

第三调门开启（第一、二调门已全开，第四调门关）

和第四调门开启（其余调门全开）

调节级的变工况第一个调节阀门全开而第二个尚未打开时，级前压力上升到最大值，此时调节级焓降达到最大值。然后随着流量的增加，级前压力基本不变，而调节级背压p2上升，所以焓降逐渐减小。调节级的危险工况：当第一个调节汽门全开而其它调节汽门全关闭时，调节级动叶受力最大，是危险工况。调节级的焓降随着工况的变动而变化。当流量G从0增大，调节级焓降先增大后减小。轴向推力的变化规律

变工况时：0负荷、蒸汽参数变化、汽封间隙增大、通流部分的结垢或腐蚀，水冲击等，均可引起汽轮机轴向推力的变化。（只讨论负荷、参数改变时引起轴向推力变化）1、节流配汽凝汽式汽轮机轴向推力

＝>在最大负荷时，流量最大，轴向推力最大。凝汽式机组中间各级变工况时，反动度基本不变。2、喷嘴配汽凝汽式汽轮机轴向推力对于喷嘴配汽，轴向推力变化受到调门开启的影响，成折线变化。

全机压力级3、背压式机组的轴向推力

对于背压式压力级在工况变化时，其级前、后压力与流量不成正比，焓降、反动度都变化，所以级的轴向推力不与流量成正比，最大轴向推力都发生在某一中间功率时达到。

滑压运行：（也称变压运行）指单元机组中，汽轮机调节汽门全开或开度不变，负荷改变时，调节锅炉燃料量、给水量和空气量，改变锅炉出口蒸汽压力与流量，而蒸汽温度保持不变，来实现汽轮机的负荷变化。

定压运行：前面讲到的配汽方式（节流调节、喷嘴调节，保持主气阀前蒸汽参数不变，改变调节阀开度）统称为定压运行。调节汽门主汽门p0,t0不变主汽门调节汽门全开t0不变p0锅炉燃料量和给水量滑压运行定压运行滑压运行与定压运行的比较①可靠性，对部分负荷下运行的适应性增加↓，↓，而保持不变，热应力减少；②提高部分负荷下的热效率（经济性）调节汽门全开节流损失小新蒸汽↓，不变。末级湿度降低，湿汽损失↓低负荷时，↓，锅炉给水压力相应降低，给水泵耗功↓但循环热效率↓，汽耗↑采用滑压运行：滑压运行适应工况的大幅度的变化，调峰机组。超临界、超超临界机组在负荷低至25%左右采用滑压运行，热效率可改善2~3%。12.75MPa以下的机组，压降使循环热效率下降过大，一般不用滑压调节。节流损失↓湿汽损失↓给水泵耗功↓循环热效率↓滑压运行的优点滑压运行方式

p0Pel纯滑压方式：不需要调节级，第一级全周进汽，调节汽门全开，只靠锅炉出口蒸汽压力和流量的改变来调节机组负荷。锅炉热容量大，适应性差。节流滑压方式：不需要调节级，第一级全周进汽，节流调节汽门预先关小5%～15%，进行滑压运行。有节流损失。复合滑压方式（定-滑-定）：高负荷区(80%~95%)，定压运行（初压高，热循环效率高）；中间负荷(80～50%)，滑压运行（节流损失小）；低负荷(25%~50%)初压水平较低的定压运行（避免经济性下降太多）。热经济性。滑压运行机组的安全性与灵活性所谓安全性，主要考核机组在变负荷时，汽轮机零部件热应力大小；灵活性是指允许机组负荷变化速率的大小。汽轮机零部件的热应力，主要与温度变化大小及变化速率有关，温度变化越大，热应力越大，安全性越差。对于同等幅度的负荷变化，温度变化越大，灵活性就越差。因此，安全性和灵活性是统一的。P02=8.58MPaP01=12.8MPaP0=17.2MPashB1P=1.62MPaP=2.45MPaP=3.43MPat=320℃t=295℃t=262℃t0=540℃B2A1A2D2A3D3D1C2B3C375%负荷50%负荷100%负荷不同运行方式时，高压缸温度变化喷嘴配汽定压运行机组，负荷下降时，高压缸各级温度下降较多，引起较大热应力和热变形。滑压运行机组高压各级温度基本不变。结论：滑压运行机组的安全性和灵活性都高于定压运行。

喷嘴配汽定压运行汽轮机调峰时，若迅速改变负荷，将引起高压缸内各级，特别是调节级处较大的温度变化，这是限制该机组调峰灵活性的主要原因，也是影响机组的安全可靠运行的关键问题。

滑压运行机组，负荷变化时，高压缸各级温度几乎不变。

节流配汽定压运行时，高压缸各级温度变化虽不大，但节流损失较大，热经济性较低。

大容量汽轮机调峰时，采用滑压运行方式，在安全性和负荷变化灵活性上，都优于定压运行方式，一定条件下的经济性也优于定压运行方式。蒸汽参数变化对汽轮机运行的影响主、再热蒸汽压力变化的影响主、再热蒸汽温度的影响排汽压力变化的影响蒸汽品质对汽轮机运行的影响主、再热蒸汽压力变化的影响经济性调节汽门开度不变：压力升高，进汽量增大，理想焓降增加，功率增加，经济性越好。维持功率不变：节流损